2017.01.17

탄소 나노튜브 기반 메모리 기술 'NRAM'에 주목해야 할 이유

Lucas Mearian | Computerworld
2018년 상용화 예정인 탄소 나노튜브 기반의 비휘발성 메모리 기술이 엔터프라이즈 스토리지와 서버, 소비자용 가전제품 분야에 플래시 메모리보다 더 파괴적인 혁신을 일으킬 것이라는 전망을 담은 보고서를 BCC 리서치가 공개했다.

BCC 리서치의 편집 이사 케빈 피츠제럴드는 “개발된 후 오래된 지난 기술이 주류로 부상하는 경우는 무척 드문데, NRAM(Nano RAM)이 바로 그런 경우에 해당될 것으로 보인다. 실제로 사람들이 사용하게 될 다음 스마트폰은 탄소 기반 제품이 될 수도 있다”고 말했다.

BCC 보고서는 전체 NRAM 시장이 2018년부터 2023년까지 62.5%의 연평균 성장률을 기록할 것으로 전망했으며, NRAM이 사용될 임베디드 시스템 시장은 2018년 470만 달러 규모에서 2023년 2억 1,760만 달러 규모로 성장할 것으로 내다봤다. 5년 연평균 성장률로 보면 115.3%에 이르는 수치다.

매사추세츠 주 워번에 소재한 난테로(Nantero Inc)가 2001년에 개발한 NRAM은 DRAM보다 1,000배 더 높은 성능을 제공하며, NAND 플래시 메모리와 같은 방식으로 데이터를 저장하므로 전원이 꺼져도 데이터가 유지된다.

그러나 반도체 연구 업체 오브젝티브 애널리시스의 수석 분석가 짐 핸디에 따르면 속도, 내구성, 용량 면에서 NAND 플래시에 도전하는 새로운 메모리 기술은 NRAM 외에도 많다.

예를 들어 강유전성 RAM(FRAM)은 이미 상당량이 출하됐고, IBM은 레이스트랙(Racetrack) 메모리를 개발했으며 인텔, IBM, 뉴모닉스(Numonyx)는 모두 상변화 메모리(Phase-Change Memory, PCM)를 생산했다. 자기저항 랜덤 액세스 메모리(Magnetoresistive Random-Access Memory, MRAM)는 1990년대부터 개발되고 있으며 HP와 하이닉스는 ReRAM(멤리스터)을 개발 중이다. 인피니온 테크놀로지는 전도성 브리징 RAM(Conductive-Bridging RAM, CBRAM)을 연구하고 있다.

NRAM


BCC 리서치의 선임 편집자이자 보고서 공동 작성자인 크리스 스피비는 이메일을 통해 “이 업체들은 메모리를 둘러싼 대전에 돌입했다”면서, “각 메모리는 다양한 방식으로 사용이 가능한 만큼 결국 메모리 전반에 걸쳐 경쟁하게 된다. 이 경쟁은 특정 메모리가 확고한 우위를 점할 때까지 계속 이어질 것”이라고 말했다.

Q&A에서 스피비는 NRAM의 가장 흥미로운 부분이 실리콘에서 탄소 기반 메모리로의 전환이라며, “기존 CMOS 파운드리는 물론 로직 파운드리에서도 단절 없이 수행이 가능할 것으로 보인다. 이는 통해 대량 맞춤 생산 시대가 열릴 수 있다”고 말했다.

NRAM 셀 구조 예시(좌)와 전자현미경으로 본 탄소 나노튜브 구조(우)


NRAM의 대량 맞춤 생산 가능성은 곧 다양한 특정 작업에 칩을 최적화할 수 있음을 의미한다. 그렇게 되면 저렴하고 풍부한 자율 IoT 센서, 스마트폰용 메모리, 자동차용 임베디드 ASICS, 음악을 저장하는 헤드폰 등이 등장하게 될 것이다.

BCC 리서치는 “오래 전부터 가능성만 높았고 지금까지 실현은 되지 않았다. 그러나 이 보고서를 통해 최초로 실제 칩 아키텍처가 대중에 공개됐고, 2017년 1분기 중에 라이선스 계약 발표도 예상되는 만큼 상황이 급진전될 것”으로 전망했다.

NRAM은 지난 16년 동안 새로운 메모리 기술로 기대를 모았지만 실현 과정은 매우 느렸다. 예를 들어 업계 전문가들은 2003년부터 NRAM이 메모리 시장에 격변을 일으킬 것으로 예측했다. 2005년에는 난테로가 이듬해부터 생산이 가능한 “범용 메모리”로 NRAM을 발표했지만, 이후 2009년까지 엔지니어링 단계를 벗어나지 못했다.

BCC 리서치는 NRAM이 시장 진출을 위해 거쳐온 긴 길을 “전형적인 다윗과 골리앗의 싸움”에 비유하며 “이제야 다윗이 골리앗의 사촌 중 하나인 후지쯔의 도움을 얻게 됐다”고 설명했다.

메모리 애플리케이션 형태에 따른 NRAM 시장(단위: 백만)


후지쯔 세미컨덕터(Fujistu Semiconductor Ltd.)는 지난 8월 제조업체 중 최초로 NRAM 대량 생산을 발표했다.

후지쯔는 2018년 말까지 DDR4 인터페이스를 사용하는 맞춤형 임베디드 스토리지 클래스 메모리 모듈을 개발하고, 후지쯔 파운드리인 미에 후지쯔 세미컨덕터(Mie Fujitsu Semiconductor Ltd.)에서 제품 라인업을 독립 NRAM 제품군까지 확장한다는 계획이다. 이렇게 생산된 독립 메모리 모듈은 리셀러를 통해 자체 브랜드로 판매된다.

DDR4 사양 인터페이스를 사용하는 NRAM은 최대 초당 32억 회의 데이터 전송(2.4Gbps)이 가능한데 이는 NAND 플래시보다 2배 이상 빠른 속도다. 그러나 난테로 CEO 그렉 슈머겔은 NRAM의 본래의 읽기/쓰기 성능은 NAND 플래시보다 수천 배 더 빠르다고 말했다. 즉, 컴퓨터 버스 인터페이스가 병목 지점이 되는 것이다.

슈머겔은 ComputerWorld와의 인터뷰에서 “나노튜브는 피코초 단위로 온 상태와 오프 상태가 전환된다”고 말했다. 1피코초는 1조 분의 1초다.


탄소 나노튜브는 대단히 강해서 강철보다 50배 더 강하고, 굵기는 사람 머리카락의 5만 분의 1에 불과하다. 이러한 탄소 나노튜브의 강성 덕분에 NRAM은 NAND 플래시에 비해 쓰기 내구성이 훨씬 더 높다.

오류 정정 부호가 있는 최고급 NAND 플래시는 약 10만 회의의 지우기-쓰기 사이클을 견딜 수 있다. 난테로에 따르면 NRAM은 1012회의 쓰기 사이클과 1015회의 읽기 사이클을 견딜 수 있다. 거의 무한에 가까운 수치다.

NRAM은 서로 접촉하거나 미세하게 분리되는 탄소 나노튜브 매트릭스가 서로 맞물린 형태로 구성된다. 각 NRAM “셀” 또는 트랜지스터는 두 금속 전극 사이에 존재하는 탄소 나노튜브의 망으로 이뤄진다. 메모리의 작동 원리는 다른 저항성 비휘발성 RAM 기술과 동일하다.

상호 접촉하지 않은 탄소 나노튜브는 고저항 상태로, “오프” 또는 “0” 상태를 나타낸다. 탄소 나노튜브가 상호 접촉하면 저저항 상태, 즉 “온” 또는 “1”이 된다.

후지쯔 세미컨덕터 부사장 마사토 마츠미야는 “난테로 기술과 후지쯔 세미컨덕터의 설계 및 생산 역량이 결합되면 더 높은 집적도, 더 빠르고 에너지 효율적이며 다시 쓰기 사이클도 더 높은 비휘발성 메모리에 대한 고객의 오랜 요구를 충족시키게 될 것”이라고 말했다.

NRAM에는 현재 소형 USB 드라이브와 SSD에 사용되는 NAND 플래시보다 훨씬 더 집적도가 높은 메모리를 제조할 수 있는 잠재력이 있다. 현재 가장 집적도가 높은 NAND 플래시 공정은 15나노미터 수준이다. 공정 크기는 데이터 비트를 저장하는 데 사용되는 트랜지스터의 크기를 나타낸다. 슈머겔에 따르면 NRAM은 5나노미터(nm) 미만의 집적도까지 도달할 수 있다.

후지쯔는 처음에는 55나노미터 공정을 사용해 NRAM을 제조할 계획이다. 이 크기에서 제조되는 초기 메모리 모듈은 메가바이트 단위의 데이터만 저장할 수 있다. 그러나 슈머겔은 후지쯔가 향후 차세대 40nm 공정 NRAM 버전도 계획하고 있다고 말했다. 2015년, 7곳의 제조 설비에서 초고속 탄소 나노튜브 메모리를 제한적으로 생산하기 시작했다.

기존 NAND 플래시에 비해 NRAM이 가진 또다른 큰 장점은 열에 대한 내성이다. NRAM은 최대 섭씨 300도까지 견딜 수 있다. 난테로는 자사 메모리가 섭씨 85도에서 수천 년을 견딜 수 있으며 10년 간 섭씨 300도에 노출시키는 테스트도 통과했다고 주장했다. 이 테스트에서 단 1비트의 데이터도 손실되지 않았다.


지난 12월 난테로는 2,100만 달러의 벤처 투자금을 추가로 유치해 총 1억 1,100만 달러를 모았다. 피츠제럴드는 보고서에서 “이러한 움직임은 NRAM 기술이 곧 대중화된다는 BCC 리서치의 전망을 뒷받침한다”고 말했다.

NRAM의 두 상태를 보여주는 그림. 탄소 나노튜브가 서로 접촉하면 저저항, “온” 상태가 형성되고 접촉하지 않고 떨어져 있으면 고저항, “오프” 상태가 형성된다.

인텔과 마이크론이 공동 개발하는, 최근 발표된 3D 크로스포인트(XPoint) 비휘발성 메모리는 PCIe/NVMe 마더보드 인터페이스를 사용하지만 NRAM은 DDR4 DRAM 인터페이스를 사용한다.

스피비는 난테로 메모리가 초기에 DRAM 인터페이스를 유지하는 것은 다소 의외라고 말했다.

스피비는 컴퓨터월드에 보낸 이메일 회신에서 “개인적으로는 너무 조심스러운 행보로 보인다. 그렇게 되면 한동안 여러 메모리 형태가 섞여 사용될 텐데, 물론 이것이 후지쯔의 의도일 것”이라고 말했다.

그렇다 해도 BCC 리서치를 비롯해 업계에서는 NRAM이 빠른 시간 내에 소비자 가전제품과 모바일 컴퓨팅, 사물인터넷, 엔터프라이즈 스토리지, 방위, 항공, 자동차 분야에 영향을 미치게 될 것으로 예상한다.

포워드 인사이트(Forward Insights)의 분석가 그레고리 웡은 “NRAM은 실험실 수준을 벗어나 대량 제조 CMOS 설비까지 진출한 극소수 기술 중 하나”라며 “빠른 속도와 높은 내구성이라는 NRAM 특유의 조합은 다양한 소비자 및 기업 응용 분야에서 혁신적인 제품 개발을 이끌 잠재력을 지녔다”고 말했다. editor@itworld.co.kr  



2017.01.17

탄소 나노튜브 기반 메모리 기술 'NRAM'에 주목해야 할 이유

Lucas Mearian | Computerworld
2018년 상용화 예정인 탄소 나노튜브 기반의 비휘발성 메모리 기술이 엔터프라이즈 스토리지와 서버, 소비자용 가전제품 분야에 플래시 메모리보다 더 파괴적인 혁신을 일으킬 것이라는 전망을 담은 보고서를 BCC 리서치가 공개했다.

BCC 리서치의 편집 이사 케빈 피츠제럴드는 “개발된 후 오래된 지난 기술이 주류로 부상하는 경우는 무척 드문데, NRAM(Nano RAM)이 바로 그런 경우에 해당될 것으로 보인다. 실제로 사람들이 사용하게 될 다음 스마트폰은 탄소 기반 제품이 될 수도 있다”고 말했다.

BCC 보고서는 전체 NRAM 시장이 2018년부터 2023년까지 62.5%의 연평균 성장률을 기록할 것으로 전망했으며, NRAM이 사용될 임베디드 시스템 시장은 2018년 470만 달러 규모에서 2023년 2억 1,760만 달러 규모로 성장할 것으로 내다봤다. 5년 연평균 성장률로 보면 115.3%에 이르는 수치다.

매사추세츠 주 워번에 소재한 난테로(Nantero Inc)가 2001년에 개발한 NRAM은 DRAM보다 1,000배 더 높은 성능을 제공하며, NAND 플래시 메모리와 같은 방식으로 데이터를 저장하므로 전원이 꺼져도 데이터가 유지된다.

그러나 반도체 연구 업체 오브젝티브 애널리시스의 수석 분석가 짐 핸디에 따르면 속도, 내구성, 용량 면에서 NAND 플래시에 도전하는 새로운 메모리 기술은 NRAM 외에도 많다.

예를 들어 강유전성 RAM(FRAM)은 이미 상당량이 출하됐고, IBM은 레이스트랙(Racetrack) 메모리를 개발했으며 인텔, IBM, 뉴모닉스(Numonyx)는 모두 상변화 메모리(Phase-Change Memory, PCM)를 생산했다. 자기저항 랜덤 액세스 메모리(Magnetoresistive Random-Access Memory, MRAM)는 1990년대부터 개발되고 있으며 HP와 하이닉스는 ReRAM(멤리스터)을 개발 중이다. 인피니온 테크놀로지는 전도성 브리징 RAM(Conductive-Bridging RAM, CBRAM)을 연구하고 있다.

NRAM


BCC 리서치의 선임 편집자이자 보고서 공동 작성자인 크리스 스피비는 이메일을 통해 “이 업체들은 메모리를 둘러싼 대전에 돌입했다”면서, “각 메모리는 다양한 방식으로 사용이 가능한 만큼 결국 메모리 전반에 걸쳐 경쟁하게 된다. 이 경쟁은 특정 메모리가 확고한 우위를 점할 때까지 계속 이어질 것”이라고 말했다.

Q&A에서 스피비는 NRAM의 가장 흥미로운 부분이 실리콘에서 탄소 기반 메모리로의 전환이라며, “기존 CMOS 파운드리는 물론 로직 파운드리에서도 단절 없이 수행이 가능할 것으로 보인다. 이는 통해 대량 맞춤 생산 시대가 열릴 수 있다”고 말했다.

NRAM 셀 구조 예시(좌)와 전자현미경으로 본 탄소 나노튜브 구조(우)


NRAM의 대량 맞춤 생산 가능성은 곧 다양한 특정 작업에 칩을 최적화할 수 있음을 의미한다. 그렇게 되면 저렴하고 풍부한 자율 IoT 센서, 스마트폰용 메모리, 자동차용 임베디드 ASICS, 음악을 저장하는 헤드폰 등이 등장하게 될 것이다.

BCC 리서치는 “오래 전부터 가능성만 높았고 지금까지 실현은 되지 않았다. 그러나 이 보고서를 통해 최초로 실제 칩 아키텍처가 대중에 공개됐고, 2017년 1분기 중에 라이선스 계약 발표도 예상되는 만큼 상황이 급진전될 것”으로 전망했다.

NRAM은 지난 16년 동안 새로운 메모리 기술로 기대를 모았지만 실현 과정은 매우 느렸다. 예를 들어 업계 전문가들은 2003년부터 NRAM이 메모리 시장에 격변을 일으킬 것으로 예측했다. 2005년에는 난테로가 이듬해부터 생산이 가능한 “범용 메모리”로 NRAM을 발표했지만, 이후 2009년까지 엔지니어링 단계를 벗어나지 못했다.

BCC 리서치는 NRAM이 시장 진출을 위해 거쳐온 긴 길을 “전형적인 다윗과 골리앗의 싸움”에 비유하며 “이제야 다윗이 골리앗의 사촌 중 하나인 후지쯔의 도움을 얻게 됐다”고 설명했다.

메모리 애플리케이션 형태에 따른 NRAM 시장(단위: 백만)


후지쯔 세미컨덕터(Fujistu Semiconductor Ltd.)는 지난 8월 제조업체 중 최초로 NRAM 대량 생산을 발표했다.

후지쯔는 2018년 말까지 DDR4 인터페이스를 사용하는 맞춤형 임베디드 스토리지 클래스 메모리 모듈을 개발하고, 후지쯔 파운드리인 미에 후지쯔 세미컨덕터(Mie Fujitsu Semiconductor Ltd.)에서 제품 라인업을 독립 NRAM 제품군까지 확장한다는 계획이다. 이렇게 생산된 독립 메모리 모듈은 리셀러를 통해 자체 브랜드로 판매된다.

DDR4 사양 인터페이스를 사용하는 NRAM은 최대 초당 32억 회의 데이터 전송(2.4Gbps)이 가능한데 이는 NAND 플래시보다 2배 이상 빠른 속도다. 그러나 난테로 CEO 그렉 슈머겔은 NRAM의 본래의 읽기/쓰기 성능은 NAND 플래시보다 수천 배 더 빠르다고 말했다. 즉, 컴퓨터 버스 인터페이스가 병목 지점이 되는 것이다.

슈머겔은 ComputerWorld와의 인터뷰에서 “나노튜브는 피코초 단위로 온 상태와 오프 상태가 전환된다”고 말했다. 1피코초는 1조 분의 1초다.


탄소 나노튜브는 대단히 강해서 강철보다 50배 더 강하고, 굵기는 사람 머리카락의 5만 분의 1에 불과하다. 이러한 탄소 나노튜브의 강성 덕분에 NRAM은 NAND 플래시에 비해 쓰기 내구성이 훨씬 더 높다.

오류 정정 부호가 있는 최고급 NAND 플래시는 약 10만 회의의 지우기-쓰기 사이클을 견딜 수 있다. 난테로에 따르면 NRAM은 1012회의 쓰기 사이클과 1015회의 읽기 사이클을 견딜 수 있다. 거의 무한에 가까운 수치다.

NRAM은 서로 접촉하거나 미세하게 분리되는 탄소 나노튜브 매트릭스가 서로 맞물린 형태로 구성된다. 각 NRAM “셀” 또는 트랜지스터는 두 금속 전극 사이에 존재하는 탄소 나노튜브의 망으로 이뤄진다. 메모리의 작동 원리는 다른 저항성 비휘발성 RAM 기술과 동일하다.

상호 접촉하지 않은 탄소 나노튜브는 고저항 상태로, “오프” 또는 “0” 상태를 나타낸다. 탄소 나노튜브가 상호 접촉하면 저저항 상태, 즉 “온” 또는 “1”이 된다.

후지쯔 세미컨덕터 부사장 마사토 마츠미야는 “난테로 기술과 후지쯔 세미컨덕터의 설계 및 생산 역량이 결합되면 더 높은 집적도, 더 빠르고 에너지 효율적이며 다시 쓰기 사이클도 더 높은 비휘발성 메모리에 대한 고객의 오랜 요구를 충족시키게 될 것”이라고 말했다.

NRAM에는 현재 소형 USB 드라이브와 SSD에 사용되는 NAND 플래시보다 훨씬 더 집적도가 높은 메모리를 제조할 수 있는 잠재력이 있다. 현재 가장 집적도가 높은 NAND 플래시 공정은 15나노미터 수준이다. 공정 크기는 데이터 비트를 저장하는 데 사용되는 트랜지스터의 크기를 나타낸다. 슈머겔에 따르면 NRAM은 5나노미터(nm) 미만의 집적도까지 도달할 수 있다.

후지쯔는 처음에는 55나노미터 공정을 사용해 NRAM을 제조할 계획이다. 이 크기에서 제조되는 초기 메모리 모듈은 메가바이트 단위의 데이터만 저장할 수 있다. 그러나 슈머겔은 후지쯔가 향후 차세대 40nm 공정 NRAM 버전도 계획하고 있다고 말했다. 2015년, 7곳의 제조 설비에서 초고속 탄소 나노튜브 메모리를 제한적으로 생산하기 시작했다.

기존 NAND 플래시에 비해 NRAM이 가진 또다른 큰 장점은 열에 대한 내성이다. NRAM은 최대 섭씨 300도까지 견딜 수 있다. 난테로는 자사 메모리가 섭씨 85도에서 수천 년을 견딜 수 있으며 10년 간 섭씨 300도에 노출시키는 테스트도 통과했다고 주장했다. 이 테스트에서 단 1비트의 데이터도 손실되지 않았다.


지난 12월 난테로는 2,100만 달러의 벤처 투자금을 추가로 유치해 총 1억 1,100만 달러를 모았다. 피츠제럴드는 보고서에서 “이러한 움직임은 NRAM 기술이 곧 대중화된다는 BCC 리서치의 전망을 뒷받침한다”고 말했다.

NRAM의 두 상태를 보여주는 그림. 탄소 나노튜브가 서로 접촉하면 저저항, “온” 상태가 형성되고 접촉하지 않고 떨어져 있으면 고저항, “오프” 상태가 형성된다.

인텔과 마이크론이 공동 개발하는, 최근 발표된 3D 크로스포인트(XPoint) 비휘발성 메모리는 PCIe/NVMe 마더보드 인터페이스를 사용하지만 NRAM은 DDR4 DRAM 인터페이스를 사용한다.

스피비는 난테로 메모리가 초기에 DRAM 인터페이스를 유지하는 것은 다소 의외라고 말했다.

스피비는 컴퓨터월드에 보낸 이메일 회신에서 “개인적으로는 너무 조심스러운 행보로 보인다. 그렇게 되면 한동안 여러 메모리 형태가 섞여 사용될 텐데, 물론 이것이 후지쯔의 의도일 것”이라고 말했다.

그렇다 해도 BCC 리서치를 비롯해 업계에서는 NRAM이 빠른 시간 내에 소비자 가전제품과 모바일 컴퓨팅, 사물인터넷, 엔터프라이즈 스토리지, 방위, 항공, 자동차 분야에 영향을 미치게 될 것으로 예상한다.

포워드 인사이트(Forward Insights)의 분석가 그레고리 웡은 “NRAM은 실험실 수준을 벗어나 대량 제조 CMOS 설비까지 진출한 극소수 기술 중 하나”라며 “빠른 속도와 높은 내구성이라는 NRAM 특유의 조합은 다양한 소비자 및 기업 응용 분야에서 혁신적인 제품 개발을 이끌 잠재력을 지녔다”고 말했다. editor@itworld.co.kr  

X